Цели изучения темы:
- предметные результаты: изучение понятий «электролитическая диссоциация», «степень электролитической диссоциации», «электролит», развитие знаний о водородном показателе, развитие навыков работы с веществами на основе соблюдения правил техники безопасности;
- метапредметные результаты: формирование навыков проведения эксперимента с использованием цифрового оборудования (получение экспериментальных данных), обработки и представления полученных результатов;
- личностные результаты: формирование навыков проведения учебного исследования на основе постановки лабораторного эксперимента.

Целесообразность использования проекта «рН и температура»
1. Работа над проектом способствует формированию интереса к изучению сложной для данного возраста (13-14 лет) теоретической темы «Теория электролитической диссоциации». В данном случае, определяя рН, ученики устанавливают зависимость степени диссоциации кислоты и температуры раствора. Работа с раствором соды носит пропедевтический характер в 8‑м классе и позволяет вернуться к результатам проекта в 9‑м классе (внеурочная деятельность), 11‑м классе (общий курс) при изучении гидролиза солей.
2. Доступность реактивов (лимонная кислота, пищевая сода) и оборудования (при отсутствии цифровых датчиков рН можно воспользоваться индикаторной бумагой) для исследования.
3. Надежность методики эксперимента обеспечивает беспрепятственный ход работы, гарантированный от срывов и методических неудач.
4. Безопасность проведения эксперимента.

Инструментальный раздел
Оборудование:
1) цифровой датчик pH или лабораторный pH-метр, лакмусовые бумажки или иной индикатор кислотности;
2) спиртовой термометр (от 0 до 50 0С) или цифровой датчик температуры;
3) лимонная кислота (1 чайная ложка);
4) питьевая сода (1 чайная ложка);
5) дистиллированная вода (300 мл);
6) емкость для водяной бани (алюминиевая или эмалированная кастрюля либо миска), можно охлаждать растворы струей холодной воды или снегом, а нагревать горячей водой;
7) химические стаканы с притертой крышкой емкостью 50-100 мл (3 шт.).

Занятие №1. Постановка проблемы
План занятия:
1. Обсуждение понятий «электролитическая диссоциация», «степень электролитической диссоциации», «электролит».
2. Постановка проблемы. Планирование инструментального эксперимента.

Содержание деятельности
Деятельность учителя
1. Организует обсуждение понятий «электролитическая диссоциация», «степень электролитической диссоциации», «электролит». Вопросы:
- Какие бывают электролиты?
- Что такое степень электролитической диссоциации?
- Какова форма записи уравнения диссоциации сильных (на примере серной кислоты, сульфата алюминия) и слабых электролитов (на примере уксусной кислоты)?
- Как влияет на степень диссоциации концентрация раствора?
Ответ можно обсудить на примере разбавленного и концентрированного растворов уксусной кислоты. При наличии возможности для определения электропроводности можно продемонстрировать разную электропроводность уксусной эссенции и столового уксуса

Воспринимают новую информацию по теме Развитие представлений о степени диссоциации, которые сформированы на уроках химии Познавательная

Оценивают полноту понимания темы Умение анализировать понимание вопроса Регулятивная

Деятельность учителя
2. Организует планирование и подготовку проведения инструментального эксперимента:
- знакомство с информацией проекта «рН и температура»;
- обсуждение цели проекта, гипотезы;
- организация рабочих групп (три группы);
- подготовка оборудования

Осуществляемые действия Формируемые способы деятельности Деятельность учащихся
Воспринимают информацию о правилах техники безопасности при работе с кислотами (лимонная кислота) Развитие понятия о необходимости соблюдения правил техники безопасности Познавательная
Уточняют то, что осталось непонятным Умение сформулировать вопрос по теме Коммуникативная
Оценивают полноту понимания методики работы над проектом Умение анализировать понимание вопроса Регулятивная

Занятие №2. Проведение эксперимента
План занятия:
1. Подготовка к работе цифровых датчиков рН и температуры.
2. Проведение исследования зависимости рН от температуры:
1‑я группа: измерение рН раствора лимонной кислоты при 10 0С, 25 0С, 40 0С;
2‑я группа: измерение рН раствора пищевой соды при 10  0С, 25 0С, 40 0С;
3‑я группа: измерение рН дистиллированной воды при 10 0С, 25 0С, 40 0С.
3. Первичный анализ полученных результатов. Заполнение анкет проекта GlobalLab.

Деятельность учителя
1. Организует рабочие места для каждой группы учащихся:
- поясняет, как охладить растворы, а потом постепенно нагревать их и делать замеры температуры и рН;
- отвечает на вопросы учащихся

Осуществляемые действия Формируемые способы деятельности Деятельность учащихся
Воспринимают информацию по методике работы Развитие представлений о работе цифровых датчиков Познавательная
Уточняют то, что осталось непонятным Умение сформулировать вопрос по теме Коммуникативная
Оценивают полноту понимания работы над проектом Умение анализировать понимание вопроса Регулятивная

Деятельность учителя
2. Организует работу учащихся в группах. Учитель контролирует ход работы в группах, отвечает на возможные вопросы учащихся, следит за заполнением таблицы результатов исследования на доске

Осуществляемые действия Формируемые способы деятельности Деятельность учащихся
1. Подключают цифровые датчики к ПК.
2. Готовят растворы:
1‑я группа - лимонной кислоты;
2‑я группа - пищевой соды;
3‑я группа - дистиллированная вода.
3. Охлаждают растворы и измеряют рН при 10 0С.
4. Постепенно нагревают растворы и измеряют рН при 25 0С и 40 0С.
5. Результаты измерений вносят в общую таблицу, которая начерчена на доске (удобно для обсуждения) Формирование навыков проведения инструментальных исследований Познавательная
Работают в группах Учебное сотрудничество в группах Коммуникативная
Работают над общей проблемой, оценивая темп и полноту проведенной работы Умение анализировать свои действия и корректировать их на основе совместной работы всего класса Регулятивная

Деятельность учителя
3. Организует первичный анализ результатов исследования. Организует работу учащихся по заполнению анкет проекта GlobalLab «рН и температура»

Осуществляемые действия Формируемые способы деятельности Деятельность учащихся
Знакомятся с результатами работы других групп Формирование представлений о зависимости рН от температуры Познавательная
Задают вопросы представителям других групп Учебное сотрудничество с одноклассниками. Развитие устной речи Коммуникативная
Анализируют результаты работы, заполняют анкету проекта Умение анализировать свои действия и представлять результаты своей работы Регулятивная

Занятие №3. Анализ и представление полученных результатов
Содержание деятельности
1. Представление результатов: выступления учащихся.
2. Обсуждение выводов, значимых для участников проектов с использованием цифровых датчиков рН.

Деятельность учителя
1. Организует выступления учащихся. Поддерживает выступающих. Делает заключение по работе над проектом, благодарит всех участников

Осуществляемые действия Формируемые способы деятельности Деятельность учащихся
Представляют результаты своей деятельности, слушают выступления одноклассников Формирование представлений о форме представления результатов проекта Познавательная
Принимают участие в обсуждении выступлений Учебное сотрудничество с одноклассниками. Развитие устной речи Коммуникативная
Анализируют результаты своей работы, комментируют высказывания одноклас­сников Умение анализировать результаты своей деятельности и работу других людей Регулятивная

Деятельность учителя
2. Организует обсуждение вопроса, который представлен в проекте «Как поведет себя рН раствора, если его охладить или подогреть? Почему ученые стараются проводить измерения pH при одной и той же температуре и какой вывод из этого необходимо сделать участникам проекта ГлобалЛаб?».
Организует обсуждение результатов, подтверждающих или опровергающих гипотезу проекта «При изменении температуры растворов меняется константа диссоциации растворенных кислот и щелочей и, следовательно, величина рН»

Осуществляемые действия Формируемые способы деятельности Деятельность учащихся
Обсуждают взаимосвязь рН раствора и температуры Развитие представлений о степени электролитической диссоциации Познавательная
Высказывают свои мысли по поводу гипотезы проекта и формулируют вывод Учебное сотрудничество с одноклассниками. Развитие устной речи Коммуникативная
Оценивают гипотезу проекта на основе полученных результатов Умение оценить гипотезу на основе уже полученных результатов и сформулировать вывод Регулятивная

240 мкмоль/мин

0,002 мкмоль

Молярная активность указывает, сколько молекул субстрата превращается од­ ной молекулой фермента за I минуту (молярную активность иногда обозначают как «число оборотов»), В табл. 2.5 приведена молярная активность некоторых ферментов.

Таблица 2.5. Молярная активность некоторых ферментов

	Л кги вн осгь.
Карбоангидраза С		(3-Галактозидаза
Л5-3-кетостероидизомераза		Фосфоглюкомутаза
Супероксиддисмутаза		Cyкцинатдегидрогеназа
Каталаза		Бифункциональный
(3-Амилаза
Фумараза

Так называемый бифункциональный фермент имеет наиболее низкую моляр­ ную активность среди известных. Однако это не означает, что его физиологичес­ кая роль тоже низка (подробнее об этом ферменте см. рис. 9.31).

Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры, pH и времени инкубации

Зависимость скорости реакции от температуры. Скорость ферментативных ре­ акций, как и всяких других, зависит от температуры: при повышении температу­ ры на каждые 10 0C скорость увеличивается примерно вдвое (правило Вант-Гоф­ фа). Однако для ферментативных реакций это правило справедливо лишь в обла­ сти низких температур - до 50-60 °С. При более высоких температурах ускоряется денатурация фермента, что означает уменьшение его количества; со­ ответственно снижается и скорость реакции (рис. 2.17, г). При 80-90 0C большин­ ство ферментов денатурируется практически мгновенно. Количественное опреде­ ление ферментов рекомендуется проводить при 25 °С.

Зависимость скорости реакции от pH. Изменение pH приводит к измене­ нию степени ионизации ионогенных групп в активном центре, а это влияет на сродство субстрата к активному центру и на каталитический механизм. Кроме того, изменение ионизации белка (не только в области активного центра) вызы­ вает конформационные изменения молекулы фермента. Колоколообразная фор­ ма кривой (рис. 2.17, д) означает, что существует некоторое оптимальное состоя­ ние ионизации фермента, обеспечивающее наилучшее соединение с субстратом и катализ реакции. Оптимум pH для большинства ферментов лежит в пределах от 6 до 8. Однако есть и исключения: например, пепсин наиболее активен при pH 2. Количественное определение ферментов проводят при оптимальном для данно­ го фермента pH.

Зависимость скорости реакции от времени. По мере увеличения времени инкубации скорость реакции снижается (рис. 2.17, е). Это может происходить

вследствие уменьшения концентрации субстрата, увеличения скорости обратной реакции (в результате накопления продукта прямой реакции), ингибирования фермента продуктом реакции, денатурации фермента. При количественном оп­ ределении ферментов и кинетических исследованиях измеряют начальную ско­ рость реакции (скорость непосредственно после начала реакции). Время, в тече­ ние которого скорость с допустимым приближением можно считать начальной, для каждого фермента и для данных условий подбирается экспериментально, на основе графика, представленного на рис. 2.17, е. прямолинейный участок графи­ ка, начинающийся от отметки нулевого времени, соответствует интервалу време­ ни, в течение которого скорость реакции равна начальной скорости или близка к ней (на рисунке этот интервал отмечен пунктирной линией).

ИНГИБИТОРЫ ФЕРМЕНТОВ

Ингибиторами ферментов называют вещества, снижающие их активность. Наи­ больший интерес представляют ингибиторы, взаимодействующие с активным центром фермента. Такие ингибиторы чаще всего являются структурными анало­ гами субстрата и, следовательно, комплементарны активному центру фермента. Поэтому они подавляют активность только одного фермента или группы фермен­ тов с очень сходным устройством активного центра. Различают ингибиторы кон­ курентные и неконкурентные, обратимые и необратимые.

Малоновая кислота HOO C -CH2-COOH является структурным аналогом ян­ тарной кислоты, поэтому она может присоединяться к активному центру сукцинатдегидрогеназы (см. выше). Ho дегидрирование малоновой кислоты невозмож­ но. Если в реакционной смеси имеются одновременно и янтарная, и малоновая кислоты, то происходят следующие процессы:

E + S J ± E S « 2 E + P

Некоторые молекулы фермента оказываются занятыми ингибитором (I) и не участвуют в реакции превращения субстрата: следовательно, скорость образования продукта снижается. Если повышать концентрацию субстрата, то доля комплекса ES увеличивается, а комплекса EI уменьшается: субстрат и ингибитор конкурируют за активный центр фермента. Это пример конкурентного ингибирования. При до­ статочно высокой концентрации субстрата весь фермент будет в форме комплекса ES и скорость реакции будет максимальной, несмотря на присутствие ингибитора.

Некоторые ингибиторы образуют комплекс не со свободным ферментом, а с фермент-субстратным комплексом:

В этом случае повышение концентрации субстрата не уменьшает действие ин­ гибитора; такие ингибиторы называются неконкурентными.

В некоторых случаях ингибитор может подвергаться химическому превраще­ нию под действием фермента. Например, n-нитрофенилацетат гидролизуется протеолитическим ферментом химотрипсином; гидролиз происходит в две ста­ дии (рис. 2.18).

a O2 N-
E- О- С- CH, + Н,О - E- ОН+HO- С- CH3 +H0O

Рис. 2.18. Гидролиз л-нитрофенилацетата химотрипсином

Сначала ацетильный остаток присоединяется к гидроксильной группе остатка серина в активном центре фермента (реакция а), а затем происходит гидролиз ацетил-фермента (реакция б). Первая стадия протекает быстро, а вторая - очень медленно, поэтому даже при небольших концентрациях и-нитрофенилацетата значительная часть молекул фермента находится в ацетилированной форме, и скорость гидролиза природного субстрата (пептидов) снижается. Такие ингиби­ торы называют псевдосубстратами или плохими субстратами.

Иногда химическое превращение ингибитора в активном центре приводит к образованию промежуточного продукта, очень прочно, необратимо связанного с ферментом: такое явление называют суицидным катализом. Например, 3-хлора- цетолфосфат необратимо ингибирует триозофосфатизомеразу. Этот ингибитор является структурным аналогом диоксиацетонфосфата: он дехлорируется и нео­ братимо присоединяется к остатку глутаминовой кислоты в активном центре фер­

	мента (рис. 2.19).
				CH2 - O P O 3 H2

	C Th 2

Рис. 2.19. Необратимое ингибирование триозофосфатизомеразы

Ингибиторами могут быть не только аналоги субстратов, но и аналоги коферментов, способные занимать место настоящего кофермента, но не способные выполнять его функцию.

Взаимодействие фермента с ингибитором часто в такой же мере специфич­ но, как и взаимодействие с субстратом или коферментом. На этом основано

применение ингибиторов для избирательного подавления активности того или иного фермента в сложной ферментной системе или в организме. В частности, многие лекарственные вещества являются ингибиторами определенных ф ер­ ментов.

Есть ингибиторы, действующие менее избирательно. Например, и-хлормерку- рибензоат является специфическим реагентом на сульфгидрильные группы в бел­ ках (рис. 2.20). Поэтому и-хлормеркурибензоат ингибирует все ферменты, кото­ рые имеют SH-группы, участвующие в катализе.

Cys- SH+ Cl- Hg-

COOH ™ Cys- S- Hg- (^ j >- COOH

Рис. 2.20. Реакция л-хлормеркурибензоата с сульфгидрильными группами белков

Другим примером может служить ингибирование диизопропилфторфосфатом пептидгидролаз и эстераз, имеющих серин в активном центре. Ингибитор необра­ тимо присоединяется к остатку серина (рис. 2.21).

H3C - C H - C H 3

Рис. 2.21. Ингибирование диизопропилфторфосфатом сериновых ферментов

Остатки серина вне активного центра при этом остаются незатронутыми; сле­ довательно, фермент сам катализирует реакцию, которая губит его. Диизопропилфторфосфат - представитель группы фосфорорганических соединений, об­ ладающих чрезвычайно высокой токсичностью. Токсическое действие обусловле­ но именно ингибированием ферментов, и прежде всего ацетилхолинэстеразы (см. гл. 22).

Пенициллин, одно из самых известных и распространенных лекарств, приме­ няется для лечения ряда инфекционных заболеваний. Пенициллин необратимо ингибирует фермент бактерий гликопептид-трансферазу. Этот фермент участву­ ет в синтезе бактериальной стенки, и поэтому в присутствии пенициллина размно­ жение бактерий невозможно. Гликопептид-трансфераза содержит остаток сери­ на в активном центре (сериновая пептидгидролаза). В молекуле пенициллина есть амидная связь, по свойствам сходная с пептидной связью (рис. 2.22). В результате разрыва этой связи, катализируемого ферментом, остаток пенициллина оказыва­ ется необратимо связанным с ферментом.

Ингибиторы - очень эффективные инструменты для исследования строения активного центра ферментов и механизма катализа. Ингибиторы, необратимо

В свое время, мой первый морской аквариум был шедевром. Это был 20-галлонный полностью стеклянный аквариум, склеенный силиконовым клеем. Система фильтрации состояла из пневматических песочных фильтров. Моя задача заключалась в том, чтобы поддерживать двух его обитателей (рыбу-ласточку Бью Грегори - Stegastes leucostictus - и актинию Condylactis ) по возможности довольными (что, с учетом отсутствия у меня опыта и ограниченных ресурсов, означало, поддерживать их живых). Сложная задача для 9-летнего ребенка, это был 1964 год. Моя наставница, миссис Перри из Cobb Pets, посоветовала мне проверять удельный вес воды и pH. С удельным весом все было довольно просто (просто опустить гидрометр в аквариум и сделать отметку на определенном уровне при добавлении пресной воды), а вот с pH все было несколько сложнее. Данный параметр проверялся посредством добавления цветной жидкости в бутылочку с образцом аквариумной воды. Словно по волшебству, цвет образца воды изменялся, а затем сравнивался при помощи сравнительной таблицы, состоящей из серии цветных квадратов. По результатам моего первого тестирования мне необходимо было добавить пищевую соду, чтобы повысить уровень pH. Исполненный сознания долга, я так и сделал - никаких изменений. Я продолжал процесс до тех пор, пока не добавил всю пачку пищевой соды.

Я никогда не узнаю, что стало причиной гибели моей рыбы и актинии, но инцидент имел место сразу после описанного эпизода. Помимо того, что для моих питомцев все закончилось очень печально, ситуация стала опустошительной для меня. Вся моя работа, за которую я получал доллар в неделю, была коту под хвост. Что еще хуже, я был ответственен за гибель обитателей. Я похоронил их на заросшем папоротником берегу ручья, протекавшего на нашем дворе. Сейчас я думаю, что у жидкого реагента истек срок годности, соответственно, результаты были неправильные. Это был очень поучительный урок.

С годами ситуация не сильно изменилась. Незнание значимости этого ключевого параметра и способов проверки показателей, отсутствие правильной интерпретации и необходимых мер могут привести и приведут к печальным последствиям. Что существенно изменилось, так это доступность на рынке и доступность по цене способов и инструментов измерения рН. В данной статье мы рассмотрим некоторые из них, сравнивая их достоинства и недостатки.

Определение pH

pH - это оценка кислотного или щелочного характера субстанции, выраженная по шкале от 0 до 14, где 0 – очень кислая среда, а 14 – очень щелочная. Нейтральная среда (не кислая, и не щелочная) - показатель 7 на данной шкале. Ионы водорода преобладают при кислотных показателях pH, тогда как в щелочной среде доминируют гидроксильные ионы.

Рисунок 1. Шкала pH логарифмическая, представляет собой степень активности ионов водорода.

В зависимости от источника, pH означает «показатель концентрации водородных ионов» ("potential of hydrogen") или французский термин "pouvoir hydrogène", что означает «энергию водорода».

Значимость измерения pH

pH – это характеристика жидкостей (в нашем случае), которая влияет на их химический состав, в частности, растворимость питательных веществ (хорошо, если мы не переборщили). Низкий pH способен сделать потенциально токсичные тяжелые металлы растворимыми. рН влияет на активность энзимов (у них имеется предпочтительный диапазон pH). Высокий pH способен растворять клеточные липидные мембраны. У водных организмов также имеется предпочтительный диапазон pH. Краткий обзор показателей pH в различной среде (интересной для аквариумистов) представлен в Таблице 1. Таблица 1. Примерные показатели pH.

Источник pH	pH
Река Рио-Негро	5.1
Дождевая вода	5.6
Река Амазонка (светлая вода)	6.9
Чистая (питьевая) вода	7
Морская вода	8.2
Озеро Танганьика (поверхность)	9

Измерение pH

Существует несколько способов определения pH. У каждого из них имеются свои преимущества и недостатки. Начнем с самых недорогих.

Лакмусовая бумага
Лакмус – материал, получаемый из лишайников (название берет свое начало от древнескандинавского слова litmosi, что означает "краска" и "мох/лишайник"). Этот дериват лакмуса изменяет цвет с возможностью прогнозирования под воздействием различных уровней pH. Благодаря такой чувствительности лакмус – простой и недорогой способ определения pH. Лакмусовая бумага – бумага, к которой были добавлены эти растворимые в воде красители, а изменение цвета вызваное погружением лакмусовой бумаги в образец воды и указывает на кислотную или щелочную среду. Рабочий диапазон измерений pH составляет примерно 5 - 8.Проверку изменения цвета необходимо проводить под освещением полного спектра.

Рисунок 2. Лакмусовая бумага – недорогой, но приблизительный способ измерения pH.

Преимущества: недорого (около 5 US). Быстро, легко использовать.

Недостатки: Выдает приблизительные показатели. На результат влияет цвет образца воды, восстановителей и окислителей. Интерпретация результатов требует острого зрения. Срок хранения реагента ограничен.

Индикаторные красители
Существует совсем немного таких pH индикаторов. Приобрести их можно в виде порошка или в жидкой форме. Обычно они используются при анализе, включающем титрование. Ниже привожу характеристики некоторых из них:

Фенолфталеин: Индикатор кислоты/щелочи, который становится бесцветным в кислой среде и розовым-красным в щелочной среде. Диапазон измерений ~8.3 до 10.

Метилоранж (гелиантин, кислотный азокраситель): Изменяет цвет с желтого на красный при уровне pH около 3.7.

Meta-Крезоловый фиолетовый: оранжево-желтый при 7.4 и меняет цвет на фиолетовый при более высоких показателях pH (примерно до 8.8.)

Бромтимоловый синий: синий при 7.5, зеленоватый при ~6.2 - 6.8 и желтый при показателе около 6.

Универсальный индикатор: сочетает несколько индикаторов, позволяя оценивать широкий диапазон pH.

Рисунок 3. Данный тест pH от API использует мета-крезоловый фиолетовый в качестве индикатора.
Оценивать изменение цвета желательно проводить при естественном освещении на белом фоне.

Преимущества: Относительно недорогой (~$10 US.) Некоторые красители можно использовать для проведения других тестов (например, щелочности) без использования pH электрода при использовании реагента.

Недостатки: Такие же, как и с лакмусовой бумагой. У отдельных красителей – ограниченный диапазон показателей pH. На результаты может влиять мутность и/или цвет тестируемой жидкости. Сравнение необходимо проводить на белом фоне при полноспектральном освещении. Срок годности реагентов ограничен – обязательно должна быть отметка о сроке годности.

pH-электроды
Понимаю, новичкам аквариумистики сложно представить, но 30 лет назад аквариумисты за пределами Европы практически не слышали об использовании pH-электродов. Ситуация изменилась в 1980-х годах, когда немецкая компания (Dupla GmbH) начала экспортировать передовое оборудование в Северную Америку. Сегодня pH-метры используются повсеместно. Доступность приборов и конкуренция среди производителей способствовали тому, что цена стала вполне доступной.

PH-электрод – это селективный датчик ионов водорода (H+). В pH-электродах на самом деле используется два электрода, зонд (индикаторный электрод) и контрольный электрод. Как правило, эти два электрода расположены в едином корпусе («теле») электрода. На конце тела электрода у зонда имеется тонкий слой чувствительного к водороду стекла. Напряжение зонда меняется в зависимости от активности ионов водорода (напряжение растет в кислой среде и уменьшается в щелочной среде). Контрольный электрод обеспечивает постоянное напряжение, которое мы используем для определения разницы с зондом. Суммарный mV отклик отправляется на измерительный прибор (счетчик), где конвертируется в pH-показатель.

Строение датчика и терминология
Чтобы разобраться, как работает pH-электрод, необходимо понимать некоторые термины, которые используются как для описания его конструкции, так и другие.

Корпус (тело электрода): полая трубка, содержащая рабочие детали pH-электрода. Корпус может быть из стекла или химически стойкой пластмассы, например, полиэфиримида.

Буфер: В нашем случае, стандартный раствор, демонстрирующий кислый, нейтральный или щелочной pH, используется для калибровки pH-метра. С целью упрощения идентификации некоторые буферные растворы кодируются цветом.

Калибровка: Процесс проверки или регулирования градуировки аналитического прибора.

Соединение (стык, спай): Объединение двух частей; в данном случае, тестируемого материала и контрольного внутреннего раствора. Соединения производятся из различных материалов; материалы должны быть пористыми, чтобы обеспечить прохождение через них контрольного раствора. Как правило, используются керамика, ткань и т.п. Существуют электроды с одним, двумя и кольцевыми соединениями.

Фритта: частично расплавленное стекло или керамика, иногда используемые в качестве соединения.

ATC: Автоматическая компенсация температуры (Automatic Temperature Compensation). Поскольку pH раствора зависит от температуры, ATC корректирует воздействие температуры. ATC требует наличия датчика температуры, который бывает встроен в электрод возле стеклянной колбы.

Контрольный электрод: Электрод, который обеспечивает известное, постоянное напряжение; обычно производится из хлор-серебряной проволоки и заполнен буферным электролитом.
Зонд: Хлор-серебряная проволока в трубке с чувствительной к рН стеклянной колбой на конце.

Рисунок 4. Внутренние детали pH-электрода.
Для наглядности не показан защитный кожух (колпак), окружающий хрупкую стеклянную колбу.
У некоторых рН-электродов соединение расположено сбоку

Типы pH-электродов
Существует несколько типов электродов. Некоторые, как правило, более старые, электроды (как показывает мой опыт, они сейчас редко встречаются), состоят из двух отдельных корпусов. В настоящее время большинство электродов – совмещенные датчики, где анод и катод расположены отдельно в едином корпусе. Форма стеклянной колбы зачастую определяет, что будет измерять электрод. Сферические колбы, с их большой площадью поверхности, хорошо подходят для многоцелевых (универсальных) измерений в водной среде. Конические колбы способны пронизывать полутвердые материалы (например, мясо и другие продукты) и почву. Плоские стеклянные «колбы» можно использовать для измерения pH разных видов кожи и т.д. Некоторые электроды бывают многоразового использования, тогда как другие – нет, они заполнены химическими гелями. У некоторых электродов встречаются съемные (сменные) соединения и зонды.

Краткий обзор pH-метров

Наш обзор посвящен pH-метрам, производимым Hanna Instruments (Woonsocket, Rhode Island, USA.) Компания Hanna представлена на рынке с 1978 и на сегодняшний день предлагает более 3 000 вариантов продукции своим покупателям по всему миру. Некоторые продукты компании представляют интерес для аквариумистов.

Все рН-метры от Hanna, представленные в обзоре, поставляются с буфером калибровки, раствором для очистки электрода и футляром. Начнем наш обзор с:

pH Checker (HI98103)

Рисунок 5. Доступный по цене pH Checker от Hanna Instruments.

HI98103 Checker® entry level pH meter станет ценным дополнением к набору инструментов многих аквариумистов. Прибор предлагает 0.1 pH ед. разрешение по доступной цене. Доступная цена связана с тем, что прибор предлагает только две точки градуировки (pH 4.01 и 7.01 или 7.01 и 10.01) без автоматической компенсации температуры (ATC) или возможности измерить температуру. Поскольку обычно рекомендуется, чтобы точки калибровки отображали ожидаемый показатель pH, данное устройство больше подходит для пресноводных систем, имитирующих кислую среду, например, биотопы реки Амазонки (несмотря на тот факт, что оно безусловно способно измерять показатели pH, характерные для рифов и систем с африканскими цихлидами, хотя и с меньшей точностью из-за всего лишь двух точек калибровки). Электрод сменный, а соединение выполнено из бумаги.

Диапазон: 0 до 14 единиц

Разрешение: 0.1 ед.

Точность: ±0.2 ед.

Точки калибровки (градуировки): Две; pH 4.01, 7.01 или 10.01

Автоматическая компенсация температуры: Отсутствует

Измерение температуры/Дисплей: Отсутствует

Сменный зонд: Да

Диаметр электрода: 8 мм (~5/16")

Размер LCD: 3/8" (~10мм)

Аккумулятор: 1-CR2032; ресурс примерно 1 000ч.

pHep pH и температурный датчик (HI98107)

Рисунок 6. Устройство pHep с буферами калибровки в своем футляре.

HI98107 pHep pH and temperature tester – более современная версия pH Checker (описанного выше). В дополнение к определению pH в диапазоне практически любого аквариума – от биотопа Амазонки до рифа – прибор также измеряет температуру с автоматической компенсаций температуры (ATC.) Устройство включает два буфера калибровки (4.01 и 7.01) с доступным третьим - (10.01, который рекомендуется для рифовых аквариумов). Соединение выполнено из бумаги. Электрод не сменный.

Диапазон: 0 до 14 единиц

Разрешение: 0.1 ед.

Точность: ±0.1 ед.

Точки калибровки: три; pH 4.01, 7.01 и 10.01 (4.01 и 10.01 представлены)

Сменный датчик: Да

Размер LCD: 0.3125" или ~8 мм

Аккумулятор: 1-CR2032; примерно 800 часов.

pHep5 Водонепроницаемый датчик рH и температуры (HI98128)

Рисунок 7. pHep предлагает много функций: измерение pH и температуры, ATC; и он удерживается на поверхности воды!

HI98128 pHep 5 pH meter – самый современный из всех карманных рН-метров от Hanna. Устройство предлагает разрешение 0.01 ед. с точностью ±0.05 и автоматической компенсацией температуры. Устройство водонепроницаемое и удерживается на поверхности воды. Прибор предлагает гибкий подход к важным измерениям, т.к. способен распознавать 5 различных буферов калибровки.

Диапазон: -2 до 16 единиц

Разрешение: 0.01 ед.

Точность: ±0.05 ед

Точки калибровки: Два варианта: 4.01, 7.01, 10.01 или 6.86, 9.18.

Автоматическая компенсация температуры: Да

Температурный дисплей: Да, можно настроить °F или °C, с точностью ±0.5°C.

Сменный зонд: Да

Размер LCD: 0.3125" или ~8 мм (размер знака)

Аккумулятор: 4-1.5v батарейки; примерно 300 ч.

HALO Wireless Field pH Meter (HI12302)

Рисунок 8. Возможно, самый современный pH-электрод на рынке – беспроводной электрод HALO.

HI12302 Halo Field pH Meter – интересный прибор, который предлагает множество возможностей. Прежде всего, это беспроводной pH-электрод, которым можно управлять через Bluetooth с устройств на платформах Android или iOS. Даже неуверенным пользователям не стоит переживать. Как показал мой опыт, настройка невероятно простая. Я открыл вебсайт Hanna Instruments, прошел по ссылке the HALO link и скачал приложение для своего смартфона. Когда приложение было установлено (скачивается бесплатно, по времени занимает около 2 минут), я открыл приложение и ПО распознало мой HALO pH-электрод. Далее, единственное, что требуется – выбирать соответствующие иконки для калибровки электрода, отображения графических данных, просмотра данных датчика и т.д. Я искренне верю, что проще уже не может быть. ПО замеряет pH и температуру ежесекундно. Регистрация данных выдает идентификационный номер электрода, дату калибровки, точки калибровки, кривую калибровки, дату и время измерений, pH, температуру, милливольты и т.д. (см. Рисунки 9-11).

Варианты зондов включают сферический (универсальный и для водной среды), конический (для продуктов, полутвердых материалов, почвы и т.п.) и плоский наконечник (для кожи, бумаги и т.п.) Пластиковый корпус HALO из полиэфиримида (polyetherimide, PEI) одобрен для контакта с пищевыми продуктами и невосприимчив ко всему, что рифер может использовать (разве что вы совсем «без тормозов» и дозируете в свою систему ароматические углеводороды и/или частично галогенизированные растворители).

Диапазон: 0 до 14 единиц

Разрешение: настраивается пользователем: 0.1, 0.01 или.001 ед.

Точность: ±0.005 ед.

Точки калибровки: семь; pH 1.68, 4.01, 6.86, 7.01, 91.8, 10.01 и 12.45.

Автоматическая компенсация температуры: Да

Сменный зонд: Отсутствует

Диаметр электрода: 12 мм (~1/2")

Регистрация данных: Да

Аккумулятор: литиевая батарея, 500 ч.

Рисунок 10. В режиме регистрации данных, показатели pH, полученные при помощи HALO электрода, можно просмотреть в виде таблицы или…

Рисунок 11. …в виде графика. Возможны примечания, а данные можно передавать в таблицы Excel.

Здесь можно проверить, совместим ли ваш телефон или планшет с технологией HALO: http://hannainst.com/halo
Более подробную информацию о продукции Hanna Instruments можно найти здесь: http://hannainst.com
На все датчики и электроды Hanna действует 6-месячная гарантия.

Прочие соображения

Сейчас я вкратце расскажу о других аспектах, которые необходимо принимать во внимание при покупке рН-метра или электрода.

Коннекторы (переходники)
Устройства для измерения pH с раздельными электродами необходимо подсоединять к прибору при помощи коннектора (за исключением случаев, когда речь идет об устройствах с беспроводным соединением, как Hanna HALO.) И хотя аспект кажется незначительным, у него могут быть продолжительные и, возможно, дорогостоящие последствия. Некоторые производители используют специализированные коннекторы, чтобы обеспечить продолжительное использование и покупку производимых ими электродов. Наиболее распространенный - Bayonet Neill-Concelman (BNC) быстросъемный разъем. Реже встречается US коннектор. В некоторых устройствах европейского производства используется S7 коннектор.

Соединения
Соединение в pH-электроде – это точка пересечения (встречи) двух миров – внутреннего раствора датчика и тестируемого образца. Существуют специализированные термины, используемые для описания соединений, их строения и геометрии. Как уже говорилось, соединения позволяют контрольному раствору электрода попадать в тестируемый раствор. В этой связи, они подвергаются загрязнению, забиваются, особенно в случае маслянистых образцов, или же образцов с высоким содержанием белка или суспензий (растворов с взвесью). В некоторых электродах используется тканевое соединение. В более дорогих электродах используются пористые керамические материалы. Некоторые соединения производятся из пластика PTFE (политетрафторэтилена) и предназначены для использования в суровых условиях, включая среду с высоким содержанием углеводорода. PTFE соединения иногда довольно большие и напоминают кольцо вокруг стеклянной колбы (керамические соединения, как правило, маленькие, всего лишь около 1 миллиметра в диаметре). Любые соединения могут загрязняться.

К счастью, для рифовых аквариумистов вполне подойдут универсальные рН-датчики с тканевыми или керамическими соединениями.

Очистка pH-электродов
Всегда стоит помнить, что электроды – это приборы для научных исследований, и за ними требуется соответствующий уход. И хотя пластиковый корпус довольно прочный, стеклянная колба очень хрупкая – неаккуратное обращение может привести к тому, что она разобьется. Электроды, которые используются лишь время от времени, не требуют частой очистки; однако, если ваш электрод постоянно погружен в «органический суп» (как в некоторых аквариумах), аквариумистам рекомендуется проводить регулярную очистку электрода. Бывает так, что зонд покрывается биологическими обрастаниями и белком. Корма (и катастрофические поломки погружных помп) добавляют жиры в воду аквариума, что также способствует загрязнению электрода. К счастью, очищающие растворы помогают поддерживать функциональность электрода. Следуйте инструкции производителя. Нельзя тереть электрод – всегда насухо промокайте его, чтобы не допустить статического разряда.

Заполняемые и незаполняемые гелевые электроды
Некоторые электроды можно повторно заполнять специально для них разработанными растворами, тогда как другие электроды заполнены гелем. В целом, гелевые датчики медленнее реагируют на изменение уровня pH. Большинство датчиков, предназначенных для использования в аквариумах, заполнено гелем.

Калибровка
Правильная калибровка pH-электрода является необходимым условием для получения точных результатов. Процесс упрощается, если прибор предлагает автоматическую компенсацию температуры (ATC.) На Рисунках 12-14 представлены примеры воздействия температуры на калибровочный стандарт (эталон).

Рисунок 12. Влияние температуры на 4.01 буфер из гидрофталата калия.

Рисунок 13. Влияние температуры на pH буфера из дигидрофосфата калия/вторичного кислого фосфата натрия (6.865). К счастью, калибровка, произведенная при комнатной температуре, довольно точная, если используется прибор без ATC.

Рисунок 14. На pH данного буфера (бикарбонат натрия/карбонат натрия) может влиять температура (еще один случай для использования устройства с ATC.) Углекислый газ из атмосферы со временем воздействует на раствор.

Правильная калибровка pH-электрода требует немного терпения и внимания к мелочам. Новые датчики должны быть соответствующим образом гидратированы (см. инструкцию к своему прибору). Несмотря на тот факт, что возможна калибровка с единой точкой, желательно осуществлять калибровку с 2 точками (в диапазон между которыми должен попадать ожидаемый уровень рН). Для рифовых аквариумов используйте буферы 7.01 и 9 или 10. Принимайте во внимание, что некоторые приборы способны автоматически распознавать буферы и, соответственно, требуют использования специальных растворов. Перед калибровкой проверьте электрод на наличие каких-либо повреждений (особенно это касается стеклянной колбы). На стеклянной колбе не должно быть никакого биологического обрастания. Если таковое имеется, используйте очищающий раствор, рекомендованный производителем. При правильной очистке будут удалены биологические обрастания, жиры, белковые загрязнения и т.п. Электрод, если он наполняемый, должен быть заполнен раствором, рекомендованным производителем. Когда электрод чистый и в хорошем состоянии, поместите его в первый калибровочный раствор. Убедитесь, что стеклянная колба электрода и соединение полностью погружены в калибровочный раствор (я использую 30-миллиметровый лабораторный стакан, где 7 миллиметров буфера вполне достаточно для калибровки). Энергично перемешайте раствор электродом (если отсутствует магнитная мешалка) и подождите, пока не выровняется температура электрода и раствора. Введите показатель в память прибора (как правило, необходимо нажать кнопку, когда устройство находится в режиме калибровки). Промойте электрод дистиллированной водой и промокните насухо салфеткой (желательно использовать лабораторные салфетки, такие как Kimwipes). НИКОГДА не вытирайте электроды бумагой – можно создать статическое напряжение, способное повлиять на калибровку и, соответственно, показания. В случае с единой точкой калибровки процесс закончен. В случае с 2 или 3 точками калибровки процедуру необходимо повторить. При измерении pH образца воды, вручную или при помощи мешалки перемешайте раствор, и предоставьте время для компенсации температуры. В лабораторной практике рекомендуется регистрировать показатели pH и температуры.

Старение калибровочных буферов
Как и в случае с большинством химических реагентов, pH буферы со временем портятся. Некоторые буферы производятся устойчивыми к изменениям и обладают длительным сроком годности (несколько лет). Выбирайте буферы, у которых срок годности указан на упаковке. Срок годности карбонатных буферов, как правило, меньше, чем у щелочных или кислотных, что связано с воздействием содержащегося в воздухе углекислого газа. Буферы, которые контактировали с электродом в процессе калибровки, необходимо выкидывать. Если заметили, что буфер покрывается плесенью (обычно это касается буферов в пределах около 4), - выкидывайте. Не используйте буферы для коррекции pH вашего аквариума.

Хранение pH-электродов
Хранить pH датчики следует правильно. Самое главное – стеклянная колба должна оставаться гидратированной. Во-вторых, исходный раствор не должен допускать осмос между самим раствором и внутренним раствором/гелем электрода. Кроме того, он должен содержать антимикробный компонент, предупреждающий появление плесени и обрастаний.
Необходимые буферы калибровки pH, исходные растворы и аксессуары можно посмотреть здесь: http://hannainst.com/ph-solutions

Hanna Instruments pH блоги и ресурсы

1.
2. pH electrode Guides and Checklists
3. Top 10 Mistakes in pH Measurements
4.

Водородный показатель , pH (лат. p ondus Hydrogenii — «вес водорода», произносится «пэ аш» ) — мера активности (в сильно разбавленных растворах эквивалентна концентрации) ионов водорода в растворе, которая количественно выражает его кислотность. Равен по модулю и противоположен по знаку десятичному логарифму активности водородных ионов, которая выражена в молях на один литр:

История водородного показателя pH .

Понятие водородного показателя введено датским химиком Сёренсеном в 1909 году. Показатель называется pH (по первым буквам латинских слов potentia hydrogeni — сила водорода, либо pondus hydrogeni — вес водорода). В химии сочетанием pX обычно обозначают величину, которая равна lg X , а буквой H в этом случае обозначают концентрацию ионов водорода (H + ), либо, вернее, термодинамическую активность гидроксоний-ионов.

Уравнения, связывающие pH и pOH .

Вывод значения pH .

В чистой воде при 25 °C концентрации ионов водорода ([H + ]) и гидроксид-ионов ([OH − ]) оказываются одинаковыми и равняются 10 −7 моль/л, это четко следует из определения ионного произведения воды, равное [H + ] · [OH − ] и равно 10 −14 моль²/л² (при 25 °C).

Если концентрации двух видов ионов в растворе окажутся одинаковыми, в таком случае говорится, что у раствора нейтральная реакция. При добавлении кислоты к воде, концентрация ионов водорода возрастает, а концентрация гидроксид-ионов понижается, при добавлении основания — напротив, увеличивается содержание гидроксид-ионов, а концентрация ионов водорода уменьшается. Когда [H + ] > [OH − ] говорится, что раствор оказывается кислым, а при [OH − ] > [H + ] — щелочным.

Чтоб было удобнее представлять, для избавления от отрицательного показателя степени, вместо концентраций ионов водорода используют их десятичный логарифм, который берется с противоположным знаком, являющийся водородным показателем — pH .

Показатель основности раствора pOH .

Немного меньшую популяризацию имеет обратная pH величина — показатель основности раствора , pOH , которая равняется десятичному логарифму (отрицательному) концентрации в растворе ионов OH − :

как во всяком водном растворе при 25 °C , значит, при этой температуре:

Значения pH в растворах различной кислотности.

• Вразрез с распространённым мнением, pH может изменяться кроме интервала 0 - 14, также может и выходить за эти пределы. Например, при концентрации ионов водорода [H + ] = 10 −15 моль/л, pH = 15, при концентрации ионов гидроксида 10 моль /л pOH = −1 .

Т.к. при 25 °C (стандартных условиях) [H + ] [OH − ] = 10 −14 , то ясно, что при такой температуре pH + pOH = 14 .

Т.к. в кислых растворах [H + ] > 10 −7 , значит, у кислых растворов pH < 7, соответственно, у щелочных растворов pH > 7 , pH нейтральных растворов равняется 7. При более высоких температурах константа электролитической диссоциации воды увеличивается, значит, увеличивается ионное произведение воды, тогда нейтральной будет pH = 7 (что соответствует одновременно возросшим концентрациям как H + , так и OH −); с понижением температуры, наоборот, нейтральная pH увеличивается.

Методы определения значения pH .

Существует несколько методов определения значения pH растворов. Водородный показатель приблизительно оценивают при помощи индикаторов, точно измерять при помощи pH -метра либо определять аналитическим путём, проводя кислотно-основное титрование.

1. Для грубой оценки концентрации водородных ионов часто используют кислотно-основные индикаторы — органические вещества-красители, цвет которых зависит от pH среды. Самые популярные индикаторы: лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый (метилоранж) и др. Индикаторы могут быть в 2х по-разному окрашенных формах — или в кислотной, или в основной. Изменение цвета всех индикаторов происходит в своём интервале кислотности, зачастую составляющем 1-2 единицы.
2. Для увеличения рабочего интервала измерения pH применяют универсальный индикатор , который является смесью из нескольких индикаторов. Универсальный индикатор последовательно изменяет цвет с красного через жёлтый, зелёный, синий до фиолетового при переходе из кислой области в щелочную. Определения pH индикаторным способом затруднено для мутных либо окрашенных растворов.
3. Применение специального прибора — pH -метра — дает возможность измерять pH в более широком диапазоне и более точно (до 0,01 единицы pH ), чем при помощи индикаторов. Ионометрический метод определения pH основывается на измерении милливольтметром-ионометром ЭДС гальванической цепи, которая включает стеклянный электрод, потенциал которого зависим от концентрации ионов H + в окружающем растворе. Способ обладает высокой точностью и удобством, особенно после калибровки индикаторного электрода в избранном диапазоне рН , что дает измерять pH непрозрачных и цветных растворов и поэтому часто применяется.
4. Аналитический объёмный метод — кислотно-основное титрование — тоже даёт точные результаты определения кислотности растворов. Раствор известной концентрации (титрант) каплями добавляют к раствору, который исследуется. При их смешивании происходит химическая реакция. Точка эквивалентности — момент, когда титранта точно хватает, для полного завершения реакции, — фиксируется при помощи индикатора. После этого, если известна концентрация и объём добавленного раствора титранта, определяется кислотность раствора.
5. pH :

0,001 моль/Л HCl при 20 °C имеет pH=3 , при 30 °C pH=3,

0,001 моль/Л NaOH при 20 °C имеет pH=11,73 , при 30 °C pH=10,83,

Влияние температуры на значения pH объясняют разчной диссоциацией ионов водорода (H +) и не есть ошибкой эксперимента. Температурный эффект нельзя компенсировать за счет электроники pH -метра.

Роль pH в химии и биологии.

Кислотность среды имеет важное значение для большинства химических процессов, и возможность протекания либо результат той или иной реакции зачастую зависит от pH среды. Для поддержания определённого значения pH в реакционной системе при проведении лабораторных исследований либо на производстве применяют буферные растворы, позволяющие сохранять почти постоянное значение pH при разбавлении либо при добавлении в раствор маленьких количеств кислоты либо щёлочи.

Водородный показатель pH часто применяют для характеристики кислотно-основных свойств разных биологических сред.

Для биохимических реакций сильное значение имеет кислотность реакционной среды, протекающих в живых системах. Концентрация в растворе ионов водорода зачастую оказывает влияние на физико-химические свойства и биологическую активность белков и нуклеиновых кислот, поэтому для нормального функционирования организма поддержание кислотно-основного гомеостаза является задачей исключительной важности. Динамическое поддержание оптимального pH биологических жидкостей достигается под действием буферных систем организма.

В человеческом организме в разных органах водородный показатель оказывается разным.

Некоторые значения pH.
Вещество
Электролит в свинцовых аккумуляторах
Желудочный сок
Лимонный сок (5% р-р лимонной кислоты)
Пищевой уксус
Кока-кола
Яблочный сок
Кожа здорового человека
Кислотный дождь
Питьевая вода
Чистая вода при 25 °C
Морская вода
Мыло (жировое) для рук
Нашатырный спирт
Отбеливатель (хлорная известь)
Концентрированные растворы щелочей